微生物によるアンモニアガス處理の特性に關する硏究

김남진 동경공업대학 2000 해외박사

본 논문은 10장으로 구성되어 있으며 제1장에서는 서론으로 연구의 배경 및 목적에 관해 서술했다. 제2장에서는 소화균을 담지한 유기담체(Peat, Rock wool) 및 무기담체(Fuyolite, Ceramics)에 의한 암모니아가스의 생물학적 처리에 관해서 슬럿지를 소화균의 식종원으로 담지하여 동일조건에 있어서 암모니아 생물학적 제거능에 관해서 담체를 60일간에 걸쳐서 실시했다. 무기담체보다 유기담체의 암모니아제거능이 높은 것을 알았다. 이 결과는 지금까지 보고된 소호균에 의한 암모니아 제거능보다 4-5배 높은 제거능이었다. 그러나 고농도 암모니아의 유입에 의해 소화균은 저해를 받아서 최대의 소화균수는 1.1×10^8 cells/g-dry packing materials정도이었다. 본장에서 얻은 결과는 소화균에 의한 암모니아제거의 한계라고 생각된다. 또한 유기담체는 장시간 사용하면 안정성에 문제가 있기 때문에 고농도의 암모니아을 장시간 처리하려면 무기담체가 적당하다는 결론지었다. 제3장의 해양성미생물 Vibrio alginolyticus의 증식특성에서는 소화균보다 증식속도가 빠르고 호염성의 특색을 갖는 해양성세균 V. alginolyticus에 주목하여 먼저 증식 특성을 조사했다. 이균은 glucose, sucrose, fructose를 탄소원으로 이용하며, glucose를 탄소원으로 할 경우, 2∼5%의 염분농도 및 중성부근의 초기pH, sucrose를 탄소원으로 할 경우, 1%의 염분농도 및 중성의 초기pH에서 균의 안정적인 증식이 보였다. 그러나 sucrose에서는 증식후의 균의 사멸, fructose에서는 초기의 균의 사멸이 보였다. 제4장의 V. alginolyticus배양액에 의한 고농도 암모니아의 제거특성에서는 탄소원으로 glucose, 질소원으로 암모니아가스를 이용하여 염분농도, 암모니아의 초기 유입농도 및 암모니아 가스의 유입유량의 변화에 대한 V. alginolyticus배양액의 암모니아 제거특성을 검토했다. V. alginolyticus는 1,000 및 2,000ppm의 고농도 암모니아를 제거하는 능력을 갖고있는 것을 밝혔다. 실험은 개방계에서도 실시하였지만 오염균의 영향을 받지않는 것을 밝혀냈다. 제5장의 해양성세균 V.alginolyticus을 담지한 Fuyolite-Biofilter의 암모니아 제거특성-glucose를 공급한 경우에서는 해양성세균 V. alginolyticus을 무기담체 Fuyolite에 담지하여, 탄소원으로써 glucose를 공급하여, 암모니아 제거특성을 61일간에 걸쳐서 검토했다. 제6장의 해양성세균 V. alginolyticus을 담지한 Fuyolite-Biofilter의 암모니아제거특성-sucrose를 공급한 경우에서는 제5장과 동일한 방법으로 탄소원으로써 경제적인 sucrose를 공급하여 117일간에 걸쳐 암모니아 제거특성을 검토했다. 제7장의 해양성세균 V. alginolyticus을 담지한 Fuyolite-Biofilter의 암모니아 제거특성-혼합당를 공급한 경우에서는 제5,6장과 동일한 방법으로 탄소원으로 glucose, fructose, sucrose를 혼합하여 만든 당을 공급하여 암모니아 제거특성을 92일간에 걸쳐서 검토했다. 본장의 실험은 제8장의 폐당밀 공급실험의 운전조건을 검토하는 목적도 있다. 제8장의 해양성세균 V. alginolyticus을 담지한 Fuyolite-Biofilter의 암모니아 제거특성-폐당밀을 공급한 경우에서는 제5, 6장과 동일한 실험방법으로 제7장에서 얻은 결과에 의해 탄소원으로 폐당밀을 공급하여 암모니아 제거특성을 117일간에 걸처서 검토했다. 제5, 6, 7, 8장의 결과는 제2장의 소화균에 의한 암모니아 제거능보다 4∼5배 높은 결과가 얻어졌으며, V. alginolyticus의 균수도 1×10^10 cfu/g-dry packing material이상 유지되고 pH는 조절을 하지않아도 운전이 가능하고 개방계의 실험에 의해서 오염균의 영향을 받지않는 것을 밝혀냈다. 특히 폐당밀을 탄소원으로 이용가능한 점, 충전탑의 압력손실을 간단히 회복시킬 수 있다는 점도 증명을 해서 무기담체와 해양성세균 V. alginolyticus를 이용하여 암모니아 제거시스템의 응용이 가능하다는 것을 서술했다. 제9장에서 고부하 암모니아를 제거하는 해양성세균 V. alginolyticus에 의한 생성물질의 정제 및 동정에서는 V. alginolyticus의 배양액을 G-15겔컬럼과 실리카컬럼을 이용하여 정제, NMR 및 아미노산 분석에 의해 암모니아의 대사산물 중의 하나가 아미노산의 한종류인 alanine임을 밝혔다. 제10장에서는 제2장에서 제9장까지의 결과를 정리하고 앞으로의 과제를 정리했다.

암모니아 연료 추진선박의 벙커링 작업에 대한 정량적 위험성평가 및 위험인식 연구

전광헌 서울과학기술대학교 2025 국내석사

제 목 : 암모니아 연료 추진선박의 벙커링 작업에 대한 정량적 위험성 평가 및 위험인식 연구 암모니아 연료 추진선박의 벙커링 작업 시 연료 특성을 고려한 안전구역에 대한 국내⦁외 기준이나 규제가 부재하여 위험성평가를 중심으로 많은 연구를 진행해 오 고 있으나, 위험성평가 결과 만으로는 인근 지역의 사회적 수용성을 형성하기에는 어려움이 있다. 전문가와 일반인 간의 위험인식에 관한 연구는 에너지 기술, 환경 및 보건 분야 등에서 활발하게 진행되었으나, 암모니아 벙커링 설비에 대한 위험인 식에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 ○○지역 가상의 항구, 항만에 위치한 암모니아 벙커링 TTS 설비를 대상으로 정량적 위험성평가를 수행하였으며, 이를 통해 얻어진 결과를 반영 해 전문가와 일반인을 대상으로 벙커링 설비에 대한 위험인식을 조사하였다. 본 연 구를 통해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. 암모니아 벙커링 설비의 사고 시나리오별 확산 거동 및 독성 영향 변화는 누출공 크기가 증가 및 누출 시간이 길어질수록 확산 범위가 커지는 경향으로 나타났으며, 대기가 안정적이고 풍속이 낮을수록 확산 범위가 넓어짐을 파악하였다. 또한, 연구 대상의 개인적 및 사회적 위험도를 산출하여 영국 보건안전청 및 미국 방화협회 기 준과 비교 분석하였다. 개인적 및 사회적 위험도 모두 허용가능한 범위에 충족하여 위험도 수준이 낮은 것으로 파악되었다. 연구대상에서 산출된 위험도 결과(10-7/년)를 반영하여 전문가 및 일반인을 대상의 위험인식을 설문 조사한 결과는 다음과 같았 다. 전문가와 일반인 간의 수용도는 전문가의 수용도가 높았으며, 두려움 수준은 일 반인이 전문가 대비하여 크게 높은 것으로 나타났다. 화석연료와 암모니아 벙커링 설비에 대한 전문가와 일반인의 위험인식을 위험인식맵을 통해 비교한 결과로 일반인은 전문가에 비해 두 연료에 대해 '두려움'와 '불확실성' 모두에서 높은 점수를 보였다. 이는 암모니아 기술의 생소함과 불확실성이 일반인의 인식에 중 요한 영향을 미치고 있음을 보여준다고 판단된다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 암모니아 벙커링 설비의 도입 단계에서 국내⦁ 외 암모니아 벙커링 설비 구축 및 안전 정책 수립에 실질적 도움이 될 것이다. 중심어: 암모니아 벙커링, 정량적 위험성평가, 위험인식, 안전구역

미분해 암모니아 제거를 위한 배기가스 폐열 기반 암모니아 수소추출기 연구

심정훈 부산대학교 대학원 2025 국내석사

암모니아는 수소 저장 밀도 및 운송 효율이 우수하여 차세대 수소 캐리어로 주목받고 있으나, 분해 공정 후 미반응 암모니아의 제거가 필요하며, 이를 위한 추가 공정이 전체 에너지 소비를 증가시키는 요인으로 작용해왔다.본 연구는 암모니아를 수소로 전환하는 공정에서 발생하는 미분해 암모니아를 효과적으로 제거하고, 공정 내 배기가스를 활용한 폐열 회수를 통해 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 암모니아 기반 수소추출기에서 미분해 암모니아를 제거하고 공정 에너지 효율을 향상시키기 위한 방안으로, 배기가스 폐열을 활용한 TSA(Temperature Swing Adsorption, 온도변동 흡착) 공정을 적용한 시스템을 제안하였다. 기존의 암모니아 수소추출기에서는 화석연료 기반 열원을 활용함으로써 에너지 소비가 크고 이산화탄소 배출이 발생하는 한계를 지닌다. 본 연구에서는 Ru 촉매 기반 Cracker에서 발생하는 고온 배기가스를 활용하여, 제올라이트 13X를 흡착제로 사용하는 TSA 공정을 재생하는 방안을 도입하였다. 공정 해석을 위해 ASPEN Plus 를 활용한 모사를 수행하였고, 분해 반응기 배기가스의 온도가 213°C에 달함을 확인하였다. 이는 흡착제 재생에 요구되는 최소 온도 범위(150~200°C)를 충분히 만족시키며, 별도의 외부 열원 없이도 TSA 재생이 가능함을 입증하였다. 모사 결과, 미분해 암모니아 제거 효율 향상과 함께 고순도의 수소를 안정적으로 생산할 수 있었으며, Electric Heater를 대체할 경우 연간 11680 kWh 에너지 비용 절감과 함께 약 2.36~3.98톤의 CO₂ 배출 저감 효과가 기대되었다. 또한 본 시스템이 대용량 발전으로 확장될 경우, 공정 경제성과 환경적 지속 가능성 측면에서 더 큰 효과를 기대할 수 있다. 본 연구는 폐열 기반 TSA 적용이라는 새로운 접근을 통해 암모니아 수소추출 공정의 에너지 효율 향상, 경제성 확보, 환경적 기여 가능성을 동시에 확보할 수 있음을 제시하였다.

Liquid metal dealloying을 활용한 다공성 Co-Mo 암모니아 분해촉매 제조

최예원 서울대학교 대학원 2025 국내석사

암모니아는 17.7 wt.%의 높은 수소 저장 밀도, 낮은 액화 에너지, 그리고 이미 구축된 생산•운송 인프라를 바탕으로 수소 운반체로 주목 받고 있다. 그러나 암모니아를 수소로 전환하기 위해서는 높은 활성화 에너지를 극복해야 하므로, 이를 낮출 수 있는 고효율 암모니아 분해 촉매 개발이 필수적이다. 현재 가장 활성이 높은 Ru 기반 촉매는 높은 비용과 희소성으로 인해 상용화에 제약이 있으며, 이를 대체할 수 있는 Ru-free 촉매 개발이 요구된다. 본 연구에서는 Liquid Metal Dealloying(LMD) 공정을 활용하여 지지체 없이 자립 구조를 갖는 다공성 Co–Mo 기반 암모니아 분해 촉매를 제조하고, 공정 조건에 따른 상 변화 및 촉매 성능을 정량적으로 분석하였다. (CoMo)35Ni65 조성의 전구체 합금은 Mg-Ca 용탕과 반응하여 Ni이 선택적으로 용출되었고, 잔존 고체상은 FCC 고용체에서 μ 상 (Co7Mo6)으로 전환되었다. 탈합금 시간이 길어질수록 Ni과 함께 Co 또한 과도하게 용출되면서 μ 상과 함께 Mo 입자가 일부 형성되었고, 이는 구조 연속성을 저해하여 촉매의 자립 구조를 약화시켰다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Mg–Co 용탕을 적용한 Partial LMD (PLMD) 공정을 도입하였고, Co의 용해를 억제함으로써 단일 μ 상의 나노다공체를 안정적으로 형성할 수 있었다. 형성된 μ 상은 암모니아 분위기에서 700 ℃, 2시간의 열처리를 통해 Co3Mo3N 상으로 전환되었으며, 해당 상은 Co와 Mo의 시너지 효과에 기반한 적절한 질소 흡착•탈착 특성을 바탕으로 높은 반응성을 나타냈다. μ 상의 질화물 전환 및 Co3Mo3N 상의 안정성은 반응 온도와 암모니아 유량 (Weight Hourly Space Velocity, WHSV)에 따라 상이하게 나타났으며, 특히 고유량 조건에서는 과도한 질소 흡착으로 인해 Co3Mo3N 상이 유지되지 않고 Mo-rich 질화물로 전환되었다. 반면, WHSV가 3,000-6,000  mL/g•h이고, 반응 온도가 600 ℃ 이상인 조건에서는 Co3Mo3N 상이 안정적으로 유지되었으며, 이는 질소 탈착이 원활히 일어나는 조건임을 의미한다. 또한, 동일한 조건에서 Mo-rich 질화물 상과 Co3Mo3N 상의 촉매 성능을 비교한 결과, Co3Mo3N 상이 더 높은 암모니아 전환율을 나타냈으며, 동일한 BET 표면적 하에도 단위 면적당 활성이 더 우수하였다. 더불어 40시간에 걸친 장기 반응 실험에서도 Co3Mo3N 상 및 Mo-rich 질화물 상 모두에서 전환율 저하 없이 안정적인 성능이 유지되었다. 본 연구는 LMD 공정을 통해 지지체 없는 자립형 다공성 구조를 형성하고, 공정 조건을 정밀 제어함으로써 구조적 안정성과 단일 상 촉매를 형성하였다. 더불어 반응 조건에 따른 Co3Mo3N 상의 안정성 및 전환 메커니즘을 규명하고, Ru-free Co-Mo 기반 촉매의 실질적인 성능 및 내구성을 실험적으로 입증함으로써 고가의 Ru 촉매를 대체할 수 있는 가능성을 제시하였다. Ammonia has gained significant attention as hydrogen carrier due to its high hydrogen storage capacity (17.7 wt.%), low liquefaction energy, and well-established global infrastructure for production and transportation. However, efficient conversion of ammonia into hydrogen requires overcoming its high activation energy, necessitating the development of highly active ammonia decomposition catalysts. Although Ru-based catalysts exhibit the highest known activity, their high cost and scarcity limit large-scale commercialization, highlighting the need for Ru-free alternatives. In this study, a self-supported porous Co–Mo-based ammonia decomposition catalyst was fabricated via Liquid Metal Dealloying (LMD) without the use of a support. A (CoMo)35Ni65 precursor alloy was dealloyed in a Mg–Ca melt, selectively removing Ni and transforming the remaining solid from an FCC solid solution into a μ phase (Co7Mo6). With increasing dealloying time, excessive dissolution of Co alongside Ni led to the formation of Mo-rich particles in addition to the μ phase, which disrupted structural continuity and weakened the mechanical integrity of the porous framework. To address this, a Partial LMD (PLMD) process using a Mg–Co melt was introduced to suppress Co dissolution, enabling the stable formation of a single-phase nanoporous μ phase. The μ phase was subsequently nitrided at 700 ℃ for 2 hours in an ammonia atmosphere, forming the active Co3Mo3N phase. This phase exhibited high catalytic activity, attributed to its balanced nitrogen adsorption–desorption properties arising from the synergistic interaction between Co and Mo. The formation and stability of Co3Mo3N during ammonia decomposition varied depending on temperature and ammonia flow rate (Weight Hourly Space Velocity, WHSV). Under high WHSV conditions, excessive nitrogen adsorption led to the transformation of Co3Mo3N into Mo-rich nitrides. In contrast, Co3Mo3N was stably maintained at WHSV values of 3,000–6,000 mL/g•h and temperatures above 600 ℃, where nitrogen desorption was sufficiently promoted. Catalytic performance comparisons under identical conditions revealed that Co3Mo3N outperformed Mo-rich nitrides in terms of ammonia conversion, with superior activity per unit surface area even at equivalent BET surface areas. Furthermore, long-term catalytic testing over 40 hours confirmed stable performance without significant degradation for both Co3Mo3N and Mo-rich nitride phases. This study demonstrates the successful fabrication of self-supported porous Co–Mo catalysts via the LMD process, enabling precise structural and phase control. The experimental results elucidate the stability window and transformation mechanism of the Co3Mo3N phase under varying reaction conditions, establishing its potential as a viable Ru-free alternative for efficient and durable ammonia decomposition catalysis.

전과정평가를 이용한 암모니아 혼소발전의 탄소발자국과 온실가스 감축효과 연구

김율 세종대학교 대학원 2024 국내석사

정부는 제10차 전력수급기본계획 발표를 통하여 2030년 암모니아 혼소발 전량 목표를 6.9TWh로 발표하였다. 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 의 전력공급목표에서 발표한 22TWh보다는 축소되었지만, 국가 전체 전력 공급량의 1%를 차지하는 수준이며, 2036년까지 20.9TWh의 중장기 목표를 지속 추진할 계획이다. 암모니아 혼소발전은 석탄발전에서 발생하는 온실 가스 배출 저감을 통하여 국가 온실가스 감축목표 달성에 기여할 뿐 아니 라, 석탄발전의 지속 운영을 통한 안정적인 국가 전력 공급망 유지에도 큰 역할을 할 것이라 기대하기 때문이다. 우리나라는 2023년 현재 61개 석탄발전소가 운영되고 있다. 정부는 노후 화 및 사용기한 만료 예정인 석탄발전 운영을 중단하고 LNG 발전으로 전 환을 계획하고 있다. 더불어 잔여 수명이 길고 에너지 전환 효율이 높은 약 20여 개 석탄발전소에 대하여 암모니아 혼소발전을 추진하고 있다. 2023년, 산업통상부는 국내 4개 석탄발전소를 암모니아 혼소발전 시범 사 업 발전소로 선정하였으며, 해당 발전소들은 2027년부터 암모니아 혼소발 전을 계획하고 있다. 본 연구에서는 해외 암모니아 도입을 통한 국내 석탄발전의 암모니아 혼 소발전이 온실가스 배출 감축에 어느 정도 효과가 있는지 전과정평가를 활 용하여 분석해 보았다. 전과정평가를 통한 석탄발전과 암모니아 혼소발전 의 탄소발자국 비교는 암모니아 혼소발전이 탄소중립에 실질적 기여를 하 는지 판단할 수 있는 근거 자료가 되기 때문이다. 블루 암모니아를 기준으로 혼소율 20%(열량 기준)를 적용하여 암모니아 혼소발전 탄소발자국을 산정한 결과, 1.160 kgCO2eq./kWh로 나타났다. 석 탄발전의 탄소발자국은 1.318 kgCO2eq./kWh이며, 암모니아 혼소발전의 온 실가스 감축효과는 0.158 kgCO2eq./kWh으로 11.99%의 온실가스 배출이 감 소하는 것으로 밝혀졌다. 정부에서 발표한 암모니아 혼소발전의 온실가스 감축효과인 20%보다 8.01% 차이가 나타났는데, 본 연구에서는 암모니아 생 산 및 운송과정을 포함한 전과정평가를 적용하였기 때문으로 판단된다. 암모니아 혼소발전 사업 초기 단계에는 블루 암모니아 공급이 충분하지 않아 일정 기간 그레이 암모니아를 혼소할 가능성이 있다. 그레이 암모니 아를 적용한 암모니아 혼소발전의 탄소발자국은 1.312 kgCO2eq./kWh로서 석탄발전의 탄소발자국과 거의 같게 산정되어, 암모니아 혼소발전으로 인 한 온실가스 감축 효과는 거의 없는 것으로 분석되었다. 블루 암모니아를 적용하여 혼소발전을 하여야 암모니아 혼소발전에 따른 온실가스 감축효과가 나타나게 되므로 청정 암모니아 생산설비 투자에 대 한 정부의 적극적인 지원이 필요하다. 또한, R&D 투자 지원을 통하여 암 모니아 혼소율을 높인다면 추가적인 온실가스 감축효과를 기대할 수 있을 것이다. 주요어 : 암모니아 혼소발전, 전과정평가, 탄소발자국, 온실가스 감축효과, 탄소중립 The government announced the national target of ammonia co-firing power generation in 2030 would be 6.9TWh through the 10th National Basic Plan for Electricity Supply and Demand. Although it is a reduced target from the 22TWh announced in the 2030 NDC plan for power supply target, it accounts for 1% of the national total power supply, and the plan is to continue to pursue the final target of 20.9TWh by 2036. This is because ammonia co-firing power generation is expected to not only contribute to achieving the national greenhouse gas reduction goal, but also play a significant role in maintaining a stable national power supply through the continuous operation of coal power plant. There are 61 coal power plants in operation in 2023 in Korea. The government is planning to discontinue the operation of coal power plants that are scheduled to expire and convert to LNG power generation. In addition, ammonia co-firing power generation is being promoted for about 20 coal power plants with long lifespan and high energy conversion efficiency. In 2023, the Ministry of Trade, Industry and Energy selected four domestic coal power plants as pilot ammonia co-firing power plants, and the plants are planning to operate ammonia co-firing power starting from 2027. In this study, we used life cycle assessment to analyze how effective ammonia co-firing power generation by importing ammonia from overseas was in reducing greenhouse gas emissions. This is because the comparison of carbon footprints between coal power generation and ammonia co-firing power generation through life cycle assessment provides basis for determining whether ammonia co-firing power generation makes a substantial contribution to carbon neutrality. As a result of calculating the carbon footprints for ammonia co-firing power generation by applying a co-firing rate of 20% (calorie basis) based on blue ammonia, was 1.160 kgCO2eq./kWh. The carbon footprints of coal power generation is 1.318 kgCO2eq./kWh. Therefore, the greenhouse gas reduction effects of ammonia co-firing power generation is 0.158 kgCO2eq./kWh, which is a 11.99% reduction in greenhouse gas emissions. There was an 8.01% difference compared to the 20% greenhouse gas reduction effects of ammonia co-firing power generation announced by the government, which is believed to be because this study applied a life cycle assessment including ammonia production and transportation processes. In the early stages of the ammonia co-firing power generation project, the supply of blue ammonia is insufficient, so there is a possibility of utilizing gray ammonia for a certain period of time. The carbon footprints of ammonia co-firing power generation using gray ammonia is 1.312 kgCO2eq./kWh, which was calculated to be almost the same as the carbon footprints of coal power generation. It was analyzed that there wasalmost no greenhouse gas reduction effects by ammonia co-firing power generation. Since the greenhouse gas reduction effects of ammonia co-firing power generation can only be achieved, when it is applying blue ammonia, the government's active support for investment in clean ammonia production facilities is needed. Additionally, if the ammonia co-firing rate is increased through R&D investment support, additional greenhouse gas reduction effects can be expected.

전기점화 암모니아 직분사 엔진의 연소안정성 확보 및 운전영역 확대를 위한 실험적 연구

장용훈 전북대학교 대학원 2024 국내석사

최근 가속화되고 있는 탄소 중립 운동에 맞춰 대부분의 산업분야에서 내연기관의 이산화탄소 배출량 저감을 위해 친환경 엔진 개발의 필요성이 두드러지고 있다. 이로 인해, 차세대 친환경 연료로서 수소가 주목받았지만 현재까지 수소의 부족한 생산량과 높은 생산 비용, 운송 그리고 보관 문제 등의 기술적인 한계로 인해 암모니아가 제안됐다. 암모니아는 이미 구축되어 있는 인프라를 사용할 수 있으므로 수소의 한계를 극복할 수 있다는 이점이 있다. 그러므로, 본 연구는 연료로서 암모니아의 적용 가능성을 확인하고자, 동일 엔진에서 LPG 와 암모니아를 연료로서 각각 실험을 진행하였다. 두 조건 모두 1,500 RPM의 부분부하 조건에서 직접 분사를 통해 연료를 실린더 내에 공급하였다. 그 결과, 암모니아는 LPG에 비해 180-220 Nm의 제한적인 운전 영역이 나타났으며, 이는 암모니아의 느린 층류화염속도로 인한 연소율의 저감과 좁은 가연성 한계에 의한 것으로 확인됐다. 또한, 암모니아는 잦은 실화로 인한 높은 CoV 값을 나타냈으며, BTE가 LPG에 비해 1-2 % 정도 감소되었다. 암모니아 전소 시 이산화탄소의 배출량은 저감됐지만, 연료 자체에 포함되어 있는 질소로 인한 Fuel NOx로 인해 LPG 보다 2-4 g/kWh 많은 BSNOx가 배출됐다. 암모니아의 최적의 운전 조건을 파악하기 위해 ECU를 통해 총 4개의 변수(Dwell Time, Start of Injection, Spark Timing, Excess Air Ratio)를 변경하여 실험을 진행하였다. 모든 실험의 기준 제동 토크는 200 Nm로 상정하였다. Dwell Time의 경우, 최적의 조건을 6 ms로 고정하였다. 암모니아는 높은 최소 점화 에너지(MIE)를 지니고 있기 때문에 다소 긴 기간 동안 점화에너지를 방출해야만 했다. 이보다 Dwell Time이 짧은 4 ms의 경우, 암모니아의 MIE를 충족치 못해 잦은 실화를 발생시켜 제동 토크가 20 Nm 감소됐으며, 미연 암모니아는 약 40 g/kWh 증가하였다. 그 결과, BTE는 약 3% 감소됐으며, 안정적인 연소를 위해선 Dwell Time의 증가는 필연적이다. 연료 분사 시기의 경우 360 BTDC 조건, 즉 상사점 (TDC) 부근에서 연료를 분사하는 타이밍을 최적의 조건으로 고정하였다. 분사 시기가 지각될수록 연료는 늦게 분사되어 공기-연료 혼합물의 균질성이 저하시키기 때문에 연소율이 저감된다. 그 결과, 제동 토크는 약 60 Nm 감소됐으며, 미연 암모니아는 120 g/kWh 증가하였다. 그 결과, BTE는 약 10 % 감소됐다. 점화 시기의 최적 조건은 45 BTDC로 LPG 연료 대비 많은 진각을 필요로 했다. 이는 앞서 언급했듯이 암모니아의 느린 층류화염속도로 인해 긴 시간의 화염발달기간이 필요하기 때문이다. 하지만, 이른 시점에 점화하는 경우, 압축과정에서 연소가 시작되기 때문에 높은 압력으로 인한 Thermal NOx로 인해 많은 양의 NOx와 미연 암모니아를 배출하기 때문에 적절한 점화 시기의 조절이 필요했다. 공기과잉률은 최적의 조건을 1.1로 고정하였다. 이보다 농후하게 연료를 분사하는 경우, 암모니아의 높은 잠열로 인해 기화 시 연소실 내 온도를 흡수하기 때문에 잦은 실화가 발생하였다. 이 때, 제동 토크는 비슷한 수준을 나타냈지만, 많은 양의 미연 암모니아가 slip됨과 동시에 BTE는 2-3% 저하됐다. 최적의 조건보다 희박한 경우, 암모니아의 층류화염속도가 더욱 느리기 때문에 잦은 실화가 발생한다. 그 결과, 제동 토크는 50 Nm 정도 감소하였으며 미연 암모니아의 배출량은 최적 조건보다 60 g/kWh 정도 증가하였다. 마지막으로, 연료 첨가제로 수소(Energy Fraction 10 %)를 첨가하여 운전 영역 확장을 시도하였다. 수소의 장점인 빠른 층류화염속도와 낮은 최소점화에너지는 암모니아의 불안정한 연소를 개선할 수 있었다. 암모니아 전소 시, 1,500 RPM의 180-220 Nm의 제한된 운전 영역이 나타났지만, 수소 EF 10 % 첨가 시, 운전 영역을 140-260 Nm까지 확대됐다. 이는 수소의 빠른 층류화염속도에 의한 것으로 확인됐다. 실제 초기 화염발달 기간(CA 0-10)과 주 연소기간 (CA 10-90)을 비교하였을 때, 수소 첨가 시 10-20 deg 감소됐다. 그 결과, 모든 운전 영역에서 CoV 값은 2 % 미만으로 안정적인 연소가 발생하였다. BSNOx는 5-10 g/kWh 정도 증가하였는데, 이는 수소 첨가로 인한 안정적인 연소의 발생으로 연소실 내 온도의 증가로 인한 Thermal NOx 생성량이 증가됐기 때문이다. 반면, 미연 암모니아는 10-30 g/kWh 정도 감소하였으며, 이는 ppm 수준으로 비교하였을 때 2000-3000 ppm이 감소됐다. 하지만, 암모니아-수소 연소 시 발생하는 배기 배출물의 수준은 강화된 배기 규제 수준을 초과한 수치였다. 본 연구는 암모니아 전소 및 암모니아-수소 혼소를 통해 엔진의 연료로서의 적용 가능성을 확인하였다. 수소 첨가 시 암모니아의 불안정한 연소가 개선됐음에도 불구하고, 다소 많은 양의 암모니아 slip과 질소 산화물이 배출되었다. 따라서, 강화되는 배기 규제에 대응하기 위해서는 미연 암모니아와 질소 산화물을 저감시킬 수 있는 SCR 촉매와 AOC 촉매가 필요하다는 것을 확인하였다.

화력발전소에서 사용되는 암모니아 유출 특성에 관한 연구

조규진 계명대학교 대학원 2022 국내석사

본 연구에서는 화력발전소에서 사용되는 대표적인 유해화학물질인 암모니아의 특성과 암모니아 유출 특성을 주요 시뮬레이터 별 비교 분석을 통해 화학 사고 시뮬레이션에 적절한 시뮬레이터를 판단하고자 하였다. 또한 암모니아의 물리 화학적 특성을 분석하여 유출 시 확산 과정 및 농도 분포를 예측하고자 하였다. 암모니아 유출 확산을 비교 분석하기 위해 화학물질 유출 사고에 적용 가능한 세 가지 시뮬레이터를 비교하였다. 시뮬레이터는 대기확산모델링(AERMOD), 화학사고예방관리계획서 작성지원 프로그램(KORA), CFD 모델링을 이용한 암모니아 확산 시뮬레이터로 각각의 장단점을 비교 분석하였다. 조사한 지형 데이터, 기상 데이터, 배출량 등을 시뮬레이터에 입력하여 대상 현장의 암모니아 유출 사고 시뮬레이션을 진행하였다. 입력한 정보를 바탕으로 AERMOD, KORA, 암모니아 확산 시뮬레이터를 통해 유출 특성 및 확산 시나리오, 피해 예측을 진행하였고 각 시뮬레이터 별 결과를 비교 분석하였다. 이러한 연구를 통해 효율적인 화학물질 확산 시뮬레이터를 제시하여 화학사고 발생 시 현장에서 효과적인 시뮬레이션를 통해 피해예측 및 사고대응 방안을 제시하고자 한다. This study intended to determine an appropriate simulator for chemical accident simulation. For this chemical characteristics of ammonia and its leaking behavior were studied to ammonia was chosen because it is a representative hazardous chemical in the thermal power plant. Efforts were made to compare CFD model with other major simulators such as AERMOD and KORA. Physicochemical characteristics were analyzed and prediction of ammonia diffusion along with concentration distribution were conducted. For field application, the CFD simulation were carried out under various condition, there are topographical data, meteorological data, emission data, etc. Based on the input conditions, run off characteristics, and diffusion scenarios were investigated. Though this study, more accurate chemical diffusion simulator was derived. Damage prediction and accident response plans were also proposed through the simulator that can be effectively applied to the field in the event of a chemical accident.

안전밸브로부터 암모니아 누출에 따른 확산 거동 및 방호수막 저감 효과 분석

이찬우 아주대학교 일반대학원 2026 국내석사

암모니아는 수소 에너지원의 구조적 한계를 보완할 수 있는 대체 에너지원으로 주목받고 있으며, 전 세계적으로 대규모 수입되고 있다. 이에 따라 각 국에서는 암모니아 저장 및 취급을 위한 항만 인프라 구축을 추진하고 있으며 한국 또한 암모니아 기반 에너지 전환을 대비해 벙커링 시설 건설을 계획하고 있다. 대용량의 암모니아는 저장탱크에서 상압·저온 조건으로 저장되는데, 냉각시스템 이상으로 인해 내부 압력이 상승하면, 안전밸브가 작동하여 대기 중으로 방출 및 확산될 수 있다. 독성과 인화성을 동시에 지닌 물질인 암모니아는 누출 시 심각한 인명 및 환경 피해를 초래할 수 있어 사고 대비를 위한 정량적인 위험성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 냉장시스템 이상으로 인한 압력 상승으로 안전밸브가 작동할 때, 대용량 암모니아 저장탱크에서 누출되는 암모니아의 농도별 확산 거동을 해석하고, 안전밸브 인근에서 방호수막이 작동할 경우의 물리적 저감 효과를 평가하고자 하였다. 이를 위해 전산유체역학(CFD) 프로그램인 OpenFOAM을 활용하였으며, Institut national de l’environnement industriel et des risques (INERIS) 4번 실험 및 Champclauson 5번 실험 기반 시뮬레이션을 통해 모델 검증을 수행한 뒤, 검증된 buoyantPimpleNFoam 및 sprayFoam을 이용하여 실제 항만 지형을 반영한 당진항 저장탱크 시나리오를 분석하였다. 농도별 확산 해석 결과, 냄새 인지 농도(1 ppm)와 Emergency Response Planning Guidelines(ERPG)-1, 2, 3(25, 150, 1500 ppm) 농도의 초기 플룸은 상층 및 수평 방향으로 확산되었으며, 누출 종료 이후 1 ppm 저농도 플룸은 지표면 방향의 침강 및 장기 잔류 특성이 나타났다. 반면, 중·고농도 플룸 (25-1500 ppm)은 하층 확산 없이 대기 혼합 속도가 빠르게 증가하여 상대적으로 짧은 시간 내에 희석 및 소멸되는 양상을 보였다. 또한 인화하한값(15 vol%) 및 인화상한값(28 vol%) 농도 플룸은 누출 지속시간 동안만 존재하고, 종료 직후 즉각적으로 소멸하는 특성을 나타냈다. 방호수막 가동 시 모든 ERPG 농도 수준에서 암모니아 플룸의 수평 확산이 효과적으로 차단되고 상층 확산으로 전환되었으나, 플룸 내부의 농도 분포와 공간적 위치에 따라 방호수막과의 상호작용 메커니즘은 다른 양상을 보였다. 강한 부력을 갖고 플룸 중심부에 위치한 ERPG-2, 3 고농도 영역은 방호수막 와류의 간섭을 받지 않고 하강 현상 없이 지속적인 상승 확산을 유지하였다. 반면, 상대적으로 부력이 약하고 플룸 외곽에 위치한 ERPG-1 저농도 영역은 방호수막이 형성하는 와류의 영향을 받아 일시적으로 하강한 후 재상승하는 거동을 나타냈다. 결론적으로 농도별 세부 거동에는 차이가 있었으나, 방호수막은 모든 농도 범위에서 플룸의 흐름을 상층으로 전환시킴으로써 고농도 암모니아의 수평 확산을 물리적으로 억제함을 확인하였다. 본 연구는 대용량 암모니아 저장탱크 안전밸브 누출 시 농도별 확산 특성과 방호수막의 저감 효과를 3차원 CFD 기반으로 입증하였다는 의미를 가지며, 향후 암모니아 저장시설의 안전 설계, 방호수막 배치 전략, 비상 대응계획 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

STABILITY AND SAFETY ANALYSIS OF PURE AMMONIA FLAMELESS COMBUSTION : AS ENERGY SUPPLY FOR HYDROGEN PRODUCTION

Yousefi Rizi Hossein Ali 국민대학교 일반대학원 2023 국내박사

암모니아는 탈탄소화 산업에서 근본적인 역할을 합니다. 암모니아는 고효율 비료를 만들기 위한 공급원료로 사용됩니다. 화석 연료를 암모니아, 수소 등 탄소 제로 재생 에너지원으로 대체함으로써 온실가스 배출을 방지하고 줄일 수 있습니다. 녹색 산업으로 전환하는 과정에서 수소를 생산하려면 재생 가능한 공급원료와 탄소 제로 에너지가 필요합니다. 암모니아는 가장 효과적인 수소 운반체이며 분해 공정에서 수소를 생성하는 데 사용됩니다. 이는 촉매 존재 및 고온에서 수행됩니다. 암모니아를 연료로 사용하면 온실가스 배출에 기여하지 않고 열화학 공정에 필요한 에너지를 제공할 수 있습니다. 그러나 암모니아 연소 불안정성, 높은 NOx 배출, 안전 및 효율성 문제를 포함하여 산업 및 상업용 암모니아 연소 응용 분야에는 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있습니다. 본 연구에서는 경험적 기반 방법이 연소 불안정성을 평가하기 위해 평평한 무화염연소기에 대한 실험실 환경에 적용됩니다. 연구 혁신에는 순수한 암모니아 무화염연소 및 배출 성분의 특성화, 암모니아 위험 평가 및 안전 분석이 포함됩니다. 암모니아 무화염연소에서 NH2, NH, OH, NO, NO2, N2O 종에 의해 방출되는 빛의 스펙트럼 분석을 UV-VIS 영역에서 측정했습니다. 2.5kw 플랫 버너의 부피 전체에 걸쳐 암모니아 무화염연소의 균일한 온도 분포는 노즐로부터의 다양한 거리와 0.2-1.2 및 O2 % 3 및 1 atm 등가의 깊이에서 측정되었습니다. 이 실험에 따르면 당량비가 0.2 인 매우 희박한 무화염조건에서도 암모니아 연소가 계속될 수 있습니다. 순수 암모니아 무화염연소의 NOx 배출은 연료 풍부 조건(ψ= 1.15)에서와 같이 등가비 ψ 의 함수이며, 가장 낮은 NOx 배출(40ppm)을 중요한 결과로 보여줍니다. 입열량 조건은 2.5kW 로 하였다. 연소 안정성을 테스트하기 위해 다양한 방법으로 당량비를 조정했습니다. 결과는 연소가 안정적으로 유지됨을 나타냅니다. NOx 를 줄이려면 열, 당량비 및 산소 함량(O2%)을 제어해야 합니다. 이 연구에서는 암모니아 연소와 관련된 안전성 및 효율성 문제를 해결하기 위해 연소 안정성을 향상시키고 NOx 배출을 줄이며 배기 가스의 암모니아 잔류물을 줄이기 위해 뜨거운 연도 가스의 내부 재순환과 함께 화염 없는 연소가 효과적인 것으로 입증되었습니다. 안전성 평가에 적용된 정량적 위험 평가 방법을 바탕으로 암모니아 무화염연소의 공정 안전성 평가에서는 폭발, NOx 배출 및 미연 독성 가스 방출 위험이 더 낮은 것으로 나타났습니다. 암모니아를 연료로 개발하려면 지속 가능한 친환경 에너지원으로서 안전성과 효율성을 높이는 것이 중요합니다. 수소 생산을 위한 지속 가능한 녹색 에너지원인 암모니아는 연료로 연구되고 있으며 안전성과 효율성을 높이기 위해 개발되고 있습니다. Ammonia plays a fundamental role in the decarbonization industry. Ammonia is used as feedstock to make fertilizer with high efficiency. By replacing fossil fuels with zero-carbon renewable energy sources, such as ammonia and hydrogen, greenhouse gas emissions can be prevented and reduced. Hydrogen production in the transition to a green industry requires renewable feedstock sources and zero carbon energy. Ammonia is the most effective carrier of hydrogen and is used to generate hydrogen in the cracking process. This is done in the presence of catalysts and at high temperatures. The use of ammonia as a fuel can provide the energy needed for thermochemical processes without contributing to the emission of greenhouse gases. But there are some obstacles to be overcome for industrial and commercial ammonia combustion applications, including ammonia combustion instability, high NOx emissions, safety, and efficiency challenges. An empirically based method is applied in a laboratory setting to flat flameless combustor to assess combustion instability. Research innovations include characterization of pure ammonia flameless combustion and emissions components, ammonia risk assessment and safety analysis. Spectrum analysis of the light emitted by NH2, NH, OH, NO, NO2, N2O species from ammonia flameless combustion, measured in the UV-VIS regions. The uniform temperature distribution of ammonia flameless combustion throughout the volume of a 2.5kw flat burner measured at various distances from the nozzle and depth at the equivalence of 0.2-1.2, and O2 % 3 and 1 atm. According to this experiment, ammonia combustion can continue even under extremely lean flameless conditions, with an equivalence ratio of 0.2. The NOx emissions of pure ammonia flameless combustion are a function of equivalence ratios ϕ, as at fuel rich condition (ϕ= 1.15), showing the lowest NOx emissions (40 ppm) as a significant result. The conditions of the heat input were 2.5kW. To test combustion stability, we adjusted the equivalence ratios in a variety of ways. The results indicated that combustion remained stable. Reducing NOx requires controlling heat, equivalence ratios, and oxygen content (O2%). It is demonstrated in this study that flameless combustion is being used in conjunction with internal recirculation of hot flue gas to improve combustion stability, decrease NOx emissions, and reduce ammonia residues in exhaust gases to address the safety and efficiency challenges associated with ammonia combustion. Based on a quantitative risk assessment Yousefi dissertation method applied to safety evaluation, a process safety assessment of ammonia flameless combustion shows a lower risk of explosion, NOx emissions and unburned toxic gases being released. To develop ammonia as a fuel, it is important to increase its safety and efficiency as a sustainable and green energy source. As a sustainable and green energy source for hydrogen production, ammonia is being investigated as a fuel and is being developed to increase its safety and efficiency. Keywords: Ammonia, flameless combustion, emission spectroscopy, stability, safety, quantitative risk assessment method applied to safety evaluation, a process safety assessment of ammonia flameless combustion shows a lower risk of explosion, NOx emissions and unburned toxic gases being released. To develop ammonia as a fuel, it is important to increase its safety and efficiency as a sustainable and green energy source. As a sustainable and green energy source for hydrogen production, ammonia is being investigated as a fuel and is being developed to increase its safety and efficiency.

1000 MWe 석탄-암모니아 혼합 연소 발전소의 운전 특성 분석 및 기술 경제성 평가

오승석 전북대학교 대학원 2024 국내석사

무탄소 자원인 암모니아는 미분탄 연소 보일러의 대체 에너지원으로 간주되어 왔다. 본 논문에서는 공정 모사기를 통해 구현된 1000 MWe 규모의 암모니아 혼소 발전 공정에서, 아역청탄과 역청탄을 대상으로 암모니아의 혼소 비율이 연도 가스 배출 특성 및 연소 효율에 미치는 영향이 비교되었으며, 더불어 기술경제성 평가가 수행되었다. 암모니아의 혼소율이 40%까지 증가됨에 따라 단위 전력 당 이산화탄소 저감률(g/kWh)과 순 효율의 감소는 중량 기준 조건에의 BG가 각각 37.8%와 3.1%를 나타내어, 고발열량의 석탄이 암모니아 혼소에 유리함이 정량적으로 확인되었다. 균등화 발전 비용에 기반한 경제성 평가의 결과로는, 사우디 생산 그린 암모니아의 20% 혼소 시 228 원/kWh로 가장 높은 경제성을 보였으며, 블루 암모니아는 그레이 암모니아보다 4 ~ 9 원/kWh 더 높은 경제성을 보였다. 연료비에 대한 민감도 분석 결과, 암모니아 가격은 사우디 생산 녹색 암모니아의 경우를 제외하면 경제성에 가장 민감하게 나타났으며, 암모니아 생산 공정의 종류에 상관없이 내림차순으로 가장 민감한 운영 비용은 연료비, 자본비, 감가상각비, 운영 및 유지비 순으로 나타났다. 본 전산 해석과 기술 경제성 평가의 결과는 미분탄 발전소에서의 암모니아 혼소가 효과적인 탄소 배출 감소와 연소 효율 보존을 동시에 달성할 수 있는 유망한 기술 발전 경로임을 시사하였다.